大型船舶上层建筑整体吊装方案有限元分析

刘凌杰，董利民，李 瑞，孙瑞雪

(1.大连理工大学 船舶工程学院，辽宁 大连 116024；2.大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连 116011)

0 引 言

上层建筑整体吊装是指将上层建筑作为完整模块在平台上进行建造，并对其进行预舾装和涂装等作业，再将完整的上层建筑模块整体吊装至船坞，与主船体进行合龙[1]。为提高生产效率、缩短船舶建造周期和降低造船成本，上层建筑整体吊装已成为必然趋势。但船舶大型化和预舾装程度提高使上层建筑整体分段的尺寸与质量越来越大，而刚度则变小，因此上层建筑的整体吊装变得更加困难。为保证吊装安全顺利进行，设计合理的吊装方案并对吊装的上层建筑提前进行有限元分析至关重要。

文献[2]～文献[5]分别对不同载重量集装箱船上层建筑整体吊装进行有限元分析，对吊装方案进行优化，以保证上层建筑总段吊装过程顺利进行。张超[6]对深水海工作业辅助船(Subsea Support Vessel，SSV)上层建筑吊装进行有限元分析，根据计算结果对吊装方案进行改进，以保证吊装过程中的上层建筑结构强度满足要求。文献[7]～文献[9]分别对不同载重量的散货船上层建筑整体吊装进行有限元分析，对局部进行加强，以保证吊装过程的安全性。李永正等[10]利用MSC Nastran对超大型油船(Very Large Crude Carrier，VLCC)上层建筑进行整体吊装强度有限元分析，得到各层结构响应，提出结构加强措施，有效降低结构应力和变形。上述研究均运用有限元计算软件对上层建筑整体吊装过程中的应力变形进行分析计算，并涉及对吊装方案的改进和对改进方案合理性的分析验证，但改进方案均对结构进行加强，未考虑对吊点位置和数量进行调整，未针对吊点位置和数量对上层建筑整体吊装过程中的应力变形影响进行研究分析。

以某大型船舶上层建筑整体吊装为例，利用MSC.Patran和MSC Nastran，根据吊点位置和数量不同的3个吊装方案，对吊装过程中的上层建筑应力和变形进行有限元计算，并对计算结果进行比较分析。

1 基本情况

该型船上层建筑长为24 850.0 mm(FR6～FR36)，宽为29 650.0 mm(上层建筑左右舷围壁间距为27 200.0 mm)，高为26 390.0 mm；各层甲板采用横骨架式；采用低碳钢材料，密度为7 850 kg/m3、弹性模量E=2.06×106MPa，泊松比为0.3，许用应力为235.0 MPa。总体坐标原点设置于船尾底部船舶实际原点处：x轴沿船体纵向，向首为正；y轴沿船体横向，由右舷指向左舷为正；z轴沿船体垂向，向上为正。上层建筑计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)三维模型如图1所示，其中：Z为全船坐标系下的垂向坐标。

上层建筑质量为366 t，舾装质量为222 t，其质量重心分布如表1所示。

2 吊装方案

吊装方案主要包括选用起重机类型、吊点位置和局部加强等方面。3个吊装方案均采用单台900 t门式起重机对上层建筑进行吊装。吊点位置须满足钢丝绳对夹角的要求，应确保钢丝绳与竖直方向夹角较小，否则将加大钢丝绳的负载。应根据分段的质量重心进行配置，吊点一般设置于重心的两侧对称位置，有利于吊装时的分段受力平衡。不仅应考虑分段质量，而且应考虑各种舾装件质量。为保证结构强度、减小变形，一般将吊点设置于强构件位置，且在某些应力集中或易发生变形的部位采用局部加强，因此3个吊装方案均通过在吊点位置背面添加肘板的方式对结构进行局部加强。吊装方案对比如表2所示。吊装方案挂绳如图2所示。

表2 吊装方案对比

3 有限元模型

3.1 模型创建

有限元模型中的板材均为平面板，为便于建模及网格划分，忽略板材上的较小开孔。板材主要采用四节点四边形板单元，在部分角隅处采用三角形单元。对横梁、纵骨和纵桁等加强材采用梁单元，对较小骨材进行简化处理，将其换算为等效板厚加至对应板上。上层建筑有限元模型如图3所示。

图3 上层建筑有限元模型

3.2 质量重心调整

在上层建筑整体吊装中，预舾装程度较高。由于舾装件布置一般较为均匀，因此采用调密度法将舾装质量均匀施加至整个模型上。通过软件可自动计算模型质量重心，与实际情况对比，若差距较大则可通过集中质量调节重心位置。模型与实际质量重心对比如表3所示。由于上层建筑采用低碳钢为材料，其密度为7.85×10-9t/mm3，经调整将密度设为1.262 1×10-8t/mm3。

表3 模型与实际质量重心对比

4 吊装强度分析

4.1 边界条件与载荷条件

在对上层建筑施加边界条件时应联系工程实际，在眼板位置上应约束眼板与上层建筑接触位置的x、y和z方向的位移。为防止某些舷伸甲板的局部奇异性变形对计算结果准确性的影响，对舷伸甲板基部加强材位置的节点z方向位移进行约束。载荷条件是对上层建筑模型施加z方向的重力场，取g=9.8 m/s2，其他方向为0。

4.2 方案1计算结果

将在MSC.Patran中创建的模型按方案1施加边界条件和载荷条件，导入MSC Nastran进行计算，将得到的结果重新导入MSC.Patran进行后处理。方案1应力变形云图如图4所示。

图4 方案1应力变形云图

由计算结果可知：最大应力为142.0 MPa，位于第3层甲板FR6的L2吊点附近；最大变形为27.0 mm，位于第2层甲板FR19的L-2附近(右侧大开口中间部位)。方案1计算结果汇总如表4所示。

表4 方案1计算结果汇总

4.3 方案2计算结果

按方案2对模型施加边界条件和载荷条件进行计算，方案2应力变形云图如图5所示。

图5 方案2应力变形云图

由计算结果可知：最大应力为105.0 MPa，位于顶层围壁FR7的L-8下方隅角附近；最大变形为32.3 mm，位于右舷侧支柱底端。方案2计算结果汇总如表5所示。

表5 方案2计算结果汇总

4.4 方案3计算结果

按方案2对模型施加边界条件和载荷条件进行计算，方案3应力变形云图如图6所示。

图6 方案3应力变形云图

由计算结果可知：最大应力为98.9 MPa，位于第2层甲板吊点下方围壁顶端附近；最大变形为20.7 mm，位于左舷侧支柱底端。方案3计算结果汇总如表6所示。

表6 方案3计算结果汇总

5 结 论

对某大型船舶上层建筑整体结构3个吊装方案的结构响应进行有限元分析，计算得到上层建筑各构件在吊装过程中的应力与变形水平，根据有限元计算结果进行对比分析，结论如下：

(1)采用方案3，上层建筑在吊装过程中产生的应力与变形均小于方案1和方案2，因此方案3为最优方案，该方案产生的最大应力为98.9 MPa，结构强度满足要求。

(2)结构高应力主要出现于吊点附近、角隅附近和纵横强构件间断处等部位，在吊装过程中可采取适当加强。

(3)在3个吊装方案中，两侧支柱的底端变形均较大，原因在于结构的整体变形在该处的迭加。

(4)结构的大变形主要出现于舷伸甲板、一端自由的支柱、大开口中部和无纵横构件支撑的甲板中部等部位，在吊装过程中可采取适当加强。

(5)由方案1与方案2对比可知：适当增加吊钩和吊点的数量，可减小结构在吊装过程中产生的应力。因此，在条件允许的情况下，可在吊装方案中适当增加吊点和吊钩数量。

(6)由方案2与方案3对比可知：将布置于同层甲板的吊点分散至多层甲板，可减小结构在吊装过程中产生的应力和变形。因此，在条件允许的情况下，应尽可能将吊点布置于多层甲板。

上述结论可在吊装方案设计优化过程中起到较强的指导和借鉴作用，但研究存在一些不足，例如未考虑外部载荷影响和眼板强度问题，在后续研究中加以改进。